真空量子漲落對量子度量及圓周運(yùn)動原子的自激發(fā)和幾何相的影響.pdf

1、任何量子系統(tǒng)都不可避免地與環(huán)境相互作用。不同的環(huán)境會對量子系統(tǒng)的演化造成不同的影響。真空漲落是任何量子系統(tǒng)都無法避免的環(huán)境。而時空的彎曲，邊界的存在等等都會改變量子漲落，從而導(dǎo)致與其存在相互作用的量子系統(tǒng)演化行為的不同。本文采用了一個簡單的量子系統(tǒng)模型:兩能級原子。一方面，我們可以以原子為探測器，通過原子的響應(yīng)，如平均能量變化率，幾何相等，來間接探測由于原子的非慣性運(yùn)動導(dǎo)致的量子“熱”效應(yīng)。另一方面，在進(jìn)行一些量子操作時，真空漲落勢必會

2、對測量系統(tǒng)（原子）的演化造成影響，從而影響最終的參數(shù)測量精度，于是我們嘗試通過邊界來改變量子漲落，從而調(diào)控量子漲落對參數(shù)測量的影響。主要得到以下結(jié)論:
　　1.我們采用Dalibard，Dupont-Roc和Cohen-Tannoudji提出的方法，分析了真空漲落和輻射反作用對與電磁場耦合的勻速圓周運(yùn)動原子平均能量變換率的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，原子的非慣性運(yùn)動會打破基態(tài)原子真空漲落和輻射反作用的平衡，從而導(dǎo)致自發(fā)激發(fā)。對比與標(biāo)量場耦合的

3、勻速圓周運(yùn)動原子和與電磁場耦合的勻加速直線運(yùn)動原子兩種情形，我們發(fā)現(xiàn):和與標(biāo)量場耦合的勻速圓周運(yùn)動原子不同，與電磁場耦合的勻速圓周運(yùn)動原子的輻射反作用項(xiàng)與加速度有關(guān)，并且和與電磁場耦合的勻加速直線運(yùn)動原子的輻射反作用項(xiàng)具有相同的形式。而對于真空漲落項(xiàng)，同直線加速情況對比，標(biāo)志著熱輻射的普朗克因子項(xiàng)如今被非熱指數(shù)項(xiàng)替代了。這也意味著不同于直線加速觀測者，勻速圓周運(yùn)動觀測者感受到的輻射是非熱的。但是，對于一個原子系綜，有效溫度可以通過原子的

4、躍遷速率來定義。計算有效溫度，我們會發(fā)現(xiàn)，和與標(biāo)量場耦合的勻速圓周運(yùn)動原子的有效溫度不同，與電磁場耦合的勻速圓周運(yùn)動原子的有效溫度始終大于Unruh溫度。
　　2.我們采用開放量子系統(tǒng)辦法，研究了做勻速圓周運(yùn)動的與真空漲落電磁場耦合的兩能級原子的動力學(xué)演化。結(jié)果表明，不同于直線加速情形，原子的躍遷速率和幾何相都不包含體現(xiàn)熱輻射的普朗克因子項(xiàng)。我們驗(yàn)證了:在相對論極限下，對于相同的加速度，勻速圓周運(yùn)動原子的自發(fā)躍遷率和溫度都大于其在

5、直線運(yùn)動情形下的值。不同于有效溫度，幾何相則與原子初態(tài)有關(guān)。當(dāng)原子初態(tài)Bloch角滿足θ=π/2時，直線和圓周運(yùn)動原子具有相同的幾何相。對于任意原子初態(tài)，直線加速，圓周加速所獲得的幾何相修正并不相同。當(dāng)θ∈(0，π/2)∪（π/2，π），對于相同的固有加速度，勻速圓周運(yùn)動原子的幾何相修正始終大于直線加速原子的幾何相修正。
　　3.我們以一個靜止的和真空漲落電磁場多極耦合的兩能級原子為測量系統(tǒng)，在無邊界和有邊界情況下研究了對原子參數(shù)

6、測量的量子Fisher信息。當(dāng)測量原子的初始參數(shù)時，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沒有邊界時，真空漲落的電磁場總是讓初態(tài)參數(shù)的QFI降低，即讓該參數(shù)的測量精度降低。而當(dāng)存在邊界時，QFI便依賴于原子的位置和極化方向。于是測量精度相對于無邊界情況可能增加，減小或是不變。當(dāng)原子離邊界很近并且是平行極化時，環(huán)境對初始參數(shù)的QFI的影響被屏蔽了，原子如同一個封閉系統(tǒng)一樣精度不隨時間演化。當(dāng)測量原子頻率時，我們發(fā)現(xiàn)，存在一個最大QFI和最佳測量時間。當(dāng)邊界存在時，